Science：可編程量子模擬器實現奇異的量子物相_風聞

量子計算機能夠以遠超傳統超級計算機的速度處理一些計算任務。然而，要實現通用的量子計算機，一個巨大的挑戰是，如何保護編碼信息的量子比特免受噪聲干擾？物理學家發現，一些奇異的量子物相具有長程糾纏模式，可用於量子糾錯，保護量子信息，讓量子計算更穩健。在 Science 雜誌12月2日發表的兩篇論文中，研究人員用可編程量子處理器模擬量子物相，並測量其中的長程量子糾纏模式。以下是 Science 介紹這兩項工作的評論文章。

撰文 | Stephen D. Bartlett

譯者 | 黃澤豪

審校 | 梁金

論文題目：

Realizing topologically ordered states on a quantum processor

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8378

論文題目：

Probing topological spin liquids on a programmable quantum simulator

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8794

在非常低的温度下，一些材料可能會凝聚成奇異的物相，其中量子糾纏會成為支配它們行為的主要特徵。這些量子物相不同於普通的固體、液體、氣體和等離子體，會表現出奇異的性質，例如以不同尋常的方式相互干涉的準粒子激發。從應用角度來看，這些量子物相可能在提高量子存儲設備（量子計算機的關鍵組件）的魯棒性方面發揮關鍵作用。

然而，儘管理論物理學家已經預測這些量子物相在各種條件下的存在，但是在實驗上實現具有長程糾纏的量子物相卻極為困難。近期，Satzinger 等人[1]和Semeghini等人[2]分別通過使用耦合超導電路和原子陣列，對這些量子物相及其關鍵特徵進行了直接觀察。

1. 奇異的拓撲量子物相

量子物相有很多種類型，其中兩個最廣為人知的例子是超導體和玻色-愛因斯坦凝聚。由於自旋之間的長程糾纏模式是凝聚態物理學中的基本問題，並且在量子信息系統中具有潛在應用，研究人員一直專注於相關研究。自旋之間的量子關聯可以是長程和“拓撲”的，這意味着在連續局部變形下，這種關聯不會改變，因此，這種奇異的量子物相被認為具有“拓撲序”。

在具有拓撲序的量子物相中，研究最多的是那些打破時間反演對稱性的相——這意味着如果時間倒流，它們的行為會有所不同。非時間反演對稱拓撲相的一個關鍵實驗特徵，是它們有魯棒的邊緣模，即沿材料外邊緣運行的持續電流。分數量子霍爾效應就是這樣一個例子，它引導物理學家發現了拓撲絕緣體和超導體。相反，量子計算機設計者們對時間反演對稱的拓撲相更感興趣，因為這些物相可用於量子糾錯，保護量子信息免受噪聲、擾動和其他有害影響。

圖1. 編織量子拓撲。圖中展示了使用量子處理器構造拓撲相的藝術構想圖。左邊表示量子電路，可以控制它以形成特定的長程糾纏模式。長程糾纏模式是拓撲量子物相的標誌，由右側的波浪線表示，其中一些形成閉環，一些具有延伸到邊緣的開放弦。| 來源：V. ALTOUNIAN/SCIENCE

然而，由於時間對稱的拓撲相沒有邊緣模，其長程糾纏特性不能用傳統方法探測，而長程糾纏特性對於其發揮量子糾錯的潛力是必要的。由於長程糾纏的基本特性，我們無法通過檢查局部區域來了解材料的性質，而必須探測貫穿整個體積的量子關聯。觀察系統的這種非局域特性需要通過糾纏相互作用和精密測量來對單個量子組分進行精確控制。得益於最先進（但仍處於初級階段）的量子計算設備，對複雜的多組分量子系統中單個組分的這種控制水平直到最近才成為可能。

2. 兩個實驗：量子處理器編程量子物相

Satzinger 等人使用一個由31個耦合超導量子器件二維陣列組成的原型量子處理器。這個量子處理器名為“懸鈴木”（Sycamore），2019年因 Google 聲稱“量子霸權”，即量子處理器能夠比傳統超級計算機更快地執行某些計算任務，而成為頭條新聞[3]。

通過執行一段簡短的量子程序，Satzinger 等人使用懸鈴木將 toric 編碼（toric code）的最低能量態拼接在一起[4]。toric 編碼是可用於量子糾錯的拓撲有序量子物相的典型例子。這與另一段簡短的量子程序一起，使得測量長程量子糾纏成為可能。

他們還開發了其他程序來模擬準粒子的產生，並進行量子干涉實驗驗證準粒子是否會表現出預期行為。作者還證明，量子信息可以編碼到 toric 編碼中以防止出錯，並在隨後再次讀出。這些特性説明，在擴展量子架構時，toric 編碼可能成為提升量子糾錯能力的關鍵。

圖2. “懸鈴木”（Sycamore）量子處理器。| 來源：Erik Lucero, Research Scientist and Lead Production Quantum Hardware

Semeghini 等人報告了一個不同的實驗，目標同樣是創建和探索與 toric 編碼相關的拓撲有序相的性質。實驗中使用光鑷將219個原子排列在二維晶格上，組成量子模擬器。通過控制相鄰原子間的相互作用，晶格被誘導成拓撲有序相。與懸鈴木處理器一樣，這個原子量子模擬器也是可編程的。

研究人員在量子處理器上運行程序，監測處理器的219個原子之間的長程糾纏性質。具體來説，就是測量這些自旋之間如何通過量子關聯，沿着一條蜿蜒的路徑產生長程糾纏模式，從中我們可以得到直接反映量子物相的拓撲序的數據。Semeghini 等人同樣是通過展示編碼的信息可以再次讀出，演示瞭如何將量子信息編碼到系統中，併為創建量子存儲器建立了一條路徑。

圖3. 量子自旋液體是一種具有拓撲序的奇異量子物相，具有長程量子糾纏特性，可用於實現穩健的量子計算。Semeghini 等人用可編程的量子模擬器來探測量子自旋液體，第一次實現了對量子自旋液體拓撲序的直接測量。| 來源：Olena Shmahalo for Quanta Magazine

3. 量子計算技術作為工具，探索量子多體系統

這兩個實驗首次展現了具有時間反演對稱性的拓撲有序相的明確證據。它們都不是像往常一樣通過新材料實現，而是通過量子處理器虛擬實現。儘管量子處理器提供了一種創建長程糾纏量子態的機制，它們最關鍵的貢獻其實是提供了一種方法來測量表徵拓撲序的長程糾纏模式，從而展現了量子計算技術可以成為探索量子多體系統的工具。

為了在計算過程中保護量子信息，還需要初始化、操縱和測量這些編碼中的量子信息，這需要通過使用容錯電路來實現。要達到實際應用的目標，量子計算的錯誤率必須進一步降低到遠低於這兩個實驗所達到的水平。關鍵問題是，量子糾錯需要對校驗算符進行重複測量以發現錯誤，並通過解碼這些測量來更新邏輯信息。這不僅需要一個強大的量子處理器，還需要一個高度集成的經典處理器和控制器[5]。

要實現實用的量子處理設備仍然面臨着許多挑戰，但這兩個實驗通過展示利用拓撲量子物相進行糾錯，標誌着量子計算領域的關鍵進步。

參考文獻

[1] K. J. Satzinger et al., Science 374, 1237 (2021).

[2] G. Semeghini et al., Science 374, 1242 (2021).

[3] F. Arute et al., Nature 574, 505 (2019).

[4] A. Kitaev, Ann. Phys. 303, 2 (2003).

[5] S. J. Pauka et al., Nat. Electron. 4, 64 (2021).

本文經授權轉載自微信公眾號“集智俱樂部”。原文鏈接：Programming a quantum phase of matter.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8910